Tính hút ẩm của điện môi, tính chất cơ học của điện môi, tính chất nhiệt của điện môi,... là những nội dung trong chương 6 "Tính chất cơ-lý-hóa của điện môi" trong bài giảng Vật liệu điện và cao áp. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung bài giảng để nắm bắt nội dung chi tiế
CHƯƠNG VI TÍNH CHẤT CƠ – LÝ – HOÁ - CỦA ĐIỆN MÔI 6.1. TÍNH HÚT ẨM CỦA ĐIỆN MÔI 6.1.1. Độ ẩm không khí - Độ ẩm tuyệt đối không khí đánh giá khối lượng (mg) nước chứa đơn vị thể tích không khí (m3). Hình 6-1 đưa hệ số ẩm bão hoà tuyệt đối không khí (mmax) theo nhiệt độ. - Độ ẩm tương đối : Độ ẩm tương đối không khí tính tỷ số phần trăm độ ẩm tuyệt độ ẩm tuyệt đối tối đa. . 6.1.2. Độ ẩm vật liệu - Khi vật liệu cách điện làm việc môi trường không khí với độ ẩm φ% nhiệt độ t0C đo, sau thời gian độ ẩm vật liệu φvl - lượng nước chứa vật liệu đạt tới giới hạn độ ẩm cân tương ứng với độ ẩm môi trường không khí. vl = M - M1 .100% M1 với M1, M2 - trọng lượng mẫu vật liệu trước sau bị ẩm. - Đối với vật liệu dệt hay vật liệu khác như: giấy, bìa tông người ta dùng khái niệm độ ẩm quy ước, tương ứng với độ ẩm cân đặt để không khí điều kiện bình thường. - Ở điện áp xoay chiều, tham số thay đổi nhiều là: tgδ ε vật liệu độ ẩm vật liệu thay đổi. Vì vậy, nhiều trường hợp người ta đo trị số điện dung để xác định vật liệu có bị ngấm ẩm hay không. φ% Sấy khô (thoát ẩm) φcb Hút ẩm τ (h) Hình 6.3. Sự biến đổi độ ẩm φ vật liệu 6.1.3. Tính thấm ẩm - Là khả cho nước qua thân Đặc điểm quan trọng đánh giá chất lượng vật liệu dùng để sơn, phủ bảo vệ chống xâm nhập ẩm vào bên vật liệu hay chi tiết cần bảo vệ. - Lượng ẩm m (g) thời gian qua mặt phẳng S (cm2) lớp vật liệu cách điện có chiều dày h (cm) tác dụng hiệu số áp suất nước P1 P2 (mm Hg) hai phía bề mặt vật liệu tính công thức: (P1 -P2 )S m τ h Trong đó: Φ - độ thấm ẩm vật liệu. - Khi sử dụng lâu dài thiết bị điện điều kiện nhiệt đới, điện môi hữu có thấy nấm mốc phát triển. Sự xuất nấm mốc làm cho điện trở suất mặt điện môi xấu đi, làm tăng tổn hao điện môi, làm cho độ bền học giảm gây nên ăn mòn phận kim loại tiếp xúc với nó. - Trong vùng nhiệt đới nóng - ẩm cần phải tính đến khả gây hư hỏng cách điện , vỏ cáp côn trùng, mối, kiến, hay động vật khác, chuyển chở hay lưu giữ. Do chọn vật liệu cho thiết bị điện làm việc môi trường nhiệt đới cần phải thí nghiệm xác định tính bền nhiệt đới tuổi thọ vật liệu để thiết bị làm việc tốt đem lại hiệu kinh tế cao. - Để khắc phục chấm nấm mốc vật liệu cách điện hữu người ta đưa thêm vào thành phần chất fungixít phủ lên chất cách điện lớp sơn có chưa fungixít. Đây chất độc hạn chế nấm mốc phát triển. 6.1.4. Sự hấp phụ nước bề mặt điện môi. • Đối với vật liệu không thấm ẩm đặt vào môi trường có độ ẩm cao mặt vật liệu hình thành màng ẩm hay bị ngưng tụ lớp nước. Quá trình ngưng tụ nước mặt vật liệu gọi hấp phụ nước vật liệu. • Lớp nước hấp thụ phụ thuộc vào độ ẩm, cấu trúc bề mặt loại vật liệu. • Độ ẩm lớn bề dày lớp hấp thụ lớn. Những vật liệu có kết cấu ion hay cực tính mạng có khả hấp thụ mạnh lực tác dụng phân tử vật liệu với phân tử nước lớn; vật liệu trung tính hay cực tính yếu lực hút nhỏ nên có hấp phụ yếu. • Khả dính nước của điện môi đặc trưng θ “góc biên dính nước”. Góc θ nhỏ, dính nước mạnh, vật liệu với bề mặt dính nước θ < 900 (hình 6-4a), bề mặt không dính nước (kị nước) có θ > 900 (hình 6-4b). θ > 900 θ < 900 Hình 6-4 Góc biên dính nước • Khi bề mặt vật liệu bị hút ẩm dòng điện dẫn mặt tăng lên, tổn hao lượng tăng dễ dàng gây nên phóng điện bề mặt, gây nên cố thiết bị điện. • Để hạn chế tác động độ ẩm vật liệu cách điện dùng biện pháp sau: + Sấy khô sấy chân không để ẩm thoát bên ngoài. + Tẩm loại vật liệu xốp sơn cách điện. + Quét lên bề mặt điện môi lớp sơn phủ nhằm ngăn chặn xâm nhập ẩm vào bên điện môi. + Để nâng cao điện áp phóng điện bề mặt phải tăng cường chiều dài dò điện cách đặt thêm gờ, tán sứ cách điện…trong điều kiện cho phép làm vệ sinh tẩy bụi bẩn bám bề mặt điện môi. 6.2. TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐIỆN MÔI 6.2.1. Độ bền chịu nén, chịu kéo uốn. - Trị số độ bền chịu kéo ký hiệu σk , chịu nén σn , chịu uốn σu;được đo kG/cm2 N/cm2(1N/cm2 =10-5 kG/cm2). - Các vật liệu có kết cấu không đẳng hường (vật liệu có nhiều lớp, sợi ) độ bền học phụ thuộc vào phương tác dụng tải trọng. - Đối với vật liệu như: thuỷ tinh, sứ, chất dẻo… độ bền uốn có trị số bé. - Một số phụ thuộc vào diện tích tiết diện ngang mẫu, phụ thuộc vào nhiệt độ thường giảm nhiệt độ tăng. - Những vật liệu hút ẩm có độ bền phụ thuộc vào độ ẩm… 6.2.2. Tính giòn - Vật liệu giòn tức có độ bền tường đối cao phụ tải tĩnh lại dễ bị phá huỷ lực động bất ngờ đặt vào. - Để đánh giá khả vật liệu chống lại tác động phụ tải động người ta xác định ứng suất dai đập. - Ứng suất dai đập vật liệu tìm cách chia lượng A tiêu tốn để bẻ gẫy vật mẫu có tiết diện ngang S cho tiết diện này. Đơn vị đo: kG.cm/cm2 J/cm2; 1J/m2 = 10-3kG.cm/cm2 Độ 6.2.3. Độ cứng - Độ cứng vật liệu khả bề mặt vật liệu chống lại biến dạng gây nên lực nén truyền từ vật có kích thước nhỏ vào nó. - Phương pháp xác định: + Với vật liệu vô cơ: xác định theo thang khoáng vật. Hay thang thập phân quy ước độ cứng. cứng thang Khoáng vật Mohs Độ cứng tuyệ t đối Tan (Mg3Si4O10(OH)2) Thạch cao (CaSO4•2H2O) Đá canxit (CaCO3) Đá fluorit (CaF2) 21 Apatit (Ca5(PO4)3(OH-,Cl-,F48 )) Octocla felspat (KAlSi3O8) 72 Thạch anh (SiO2) 100 Topaz (Al2SiO4(OH-,F-)2) 200 Corundum (Al2O3) 400 10 Kim cương (C) 1500 Ví dụ: vật liệu bị apatit (có độ cứng 5) làm trầy xước không bị làm trầy đá fluorit (có độ cứng 4), độ cứng thang Mohs 4,5. + Vật liệu hữu cơ: Theo phương pháp Brinel. Đó sử dụng bi thép có đường kính D ép vào mẫu lực định P. Sau loại bỏ phụ tải người ta đo chiều sâu h vết lõm bi bề mặt vật liệu đường kính d vết lõm. Độ cứng theo Brinel TB tìm cách chia lực P cho diện tích vết lõm: TB = P P = πD πDh (D - D2 - d ) kG/mm2 6.2.4. Độ nhớt • Độ nhớt đặc tính quan trọng vật liệu cách điện thể lỏng dầu, sơn,… - Độ nhớt động lực học η Hay hệ số ma sát bên chất lỏng. Tốc độ chuyển động bi rắn, bán kính r môi trường không giới hạn có η ảnh hưởng lực F tác động liên tục lên bi không đổi có trị số xác định theo định luật Stốc. v= - F . η 6.π.r Độ nhớt động học ν tỷ số độ nhớt động lực học chất lỏng mật độ nó: η ν= ρ - Độ nhớt tương đối theo Angle: Là độ nhớt đo tỷ số thời gian chảy từ nhớt kế Angle 200ml chất lỏng (ở t0 thí nghiệm cho trước) với thời gian chảy 200ml nước cất 200C (khoảng τt 51- 52 giây). η= τ H2O Trong hệ đơn vị SI, đơn vị η poazơi (poiseuille), kí hiệu: Pl; Pl = Pa.s = N.s/m 6.3. TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA ĐIỆN MÔI 6.3.1. Tính chịu nóng (độ bền nhiệt) - KN: khả vật liệu cách điện chi tiết chịu đựng không bị hư hỏng thời gian ngắn lâu dài tác động nhiệt độ cao thay đổi đột ngột nhiệt độ. - Cách xác định: + Với điện môi vô xác định theo điểm bắt đầu biến đổi tính chất điện. Ví dụ tăng hao tổn rõ rệt hay điện trở suất giảm. + Với điện môi hữu cơ: Được xác định theo điểm bắt đầu biến dạng học kéo uốn, theo độ lún sâu kim loại áp lực nung nóng điện môi. + Với điện môi khác xác định độ bền chịu nóng theo đặc tính điện. + Với điện môi lỏng có đưa hai khái niệm: • Nhiệt độ chớp cháy gọi nhiệt độ chất lỏng mà nung nóng đến nhiệt độ hỗn hợp với không khí bốc cháy đưa lửa vào gần. • Nhiệt độ cháy nhiệt độ cao mà đưa lửa lại gần, thân chất lỏng thử nghiệm bắt đầu cháy. Để kiểm tra độ bền vật liệu cách điện mặt hoá già nhiệt, mẫu vật liệu giữ lâu dài nhiệt độ tương đối cao chưa làm cho vật liệu bị phá huỷ nhanh chóng. Tính chất mẫu hoá già sau khoảng thời gian định đo so sánh với tính chất vật liệu lúc ban đầu. - Theo quy định IEC (Hội kỹ thuật điện quốc tế) vật liệu cách điện phân tích theo cấp chịu nhiệt - độ bền chịu nóng sau - Ký hiệu t0 lớn cho phép 0C Ký hiệu t0 lớn cho phép 0C Y 90 B 130 A 105 F 155 E 120 H 180 C >180 • Ví dụ + Cấp Y: Gồm vật liệu gốc xenlulô tơ (sợi, vải, giấy ) không tẩm, ngâm vật liệu cách điện lỏng. + Cấp A: Là vật liệu cấp Y tẩm hay ngâm chất cách điện ví dụ: giấy tẩm dầu MBA + Cấp E: Gồm chất dẻo có chất độn hữu lớp nhựa liên kết chịu nhiệt… + Cấp B: Gồm mica vụn, vật liệu sợi amian thủy tinh kết hợp với vật liệu liên kết tẩm hửu + Cấp F: Gồm micanít, vật liệu sở sợi thủy tinh lớp đệm lớp đệm vô cơ,chất liên kết chất hưu + Cấp H: Giống cấp F chất liên kết loại nhựa silic hữu có độ bền nhiệt đặc biệt cao + Cấp C: Gồm vật liệu vô túy, hoàn toàn thành phần kết dính hay tẩm như: mica, thủy tinh, amiăng, … 6.3.2. Tính chịu băng giá - Tính chịu giá băng hay độ bền chịu lạnh khả chất cách điện làm việc không bị suy giảm độ tin cậy vận hành nhiệt độ thấp (khoảng -60 đến -700C) - Thường nhiệt độ thấp tính chất vật liệu cách điện điện môi thường tốt hơn, nhiều vật liệu dẻo đàn hồi điều kiện bình thường trở nên giòn cứng nhiệt độ thấp, gây khó khăn cho làm việc chất cách điện. 6.3.3. Độ dẫn nhiệt - Độ dẫn nhiệt có ý nghĩa quan trọng nhiệt toả tổn thất công suất dây dẫn bọc cách điện lõi thép MBA tổn hao điện môi chất cách điện truyền môi trường xung quanh qua nhiều lớp vật liệu khác nhau. - Độ dẫn nhiệt ảnh hưởng tới độ bền điện đánh thủng nhiệt ảnh hưởng đến độ bền vật liệu xung nhiệt. Độ dẫn nhiệt vật liệu đặc trưng nhiệt dẫn suất γN phương trình Furiê: ΔPN = γ N . dT ΔS dl Trong đó: ∆PN - công suất dòng nhiệt qua điện tích vuông góc ∆S với dòng lượng; dT/dl - gradien nhiệt độ. 6.3.4. Sự giãn nở nhiệt - Sự giãn nở nhiệt điện môi đánh giá hệ số giãn nở chiều dài theo nhiệt độ. dL TK L = α L = L dt - Các điện môi vô có hệ số giãn nở dài bé tiết chế tạo từ vật liệu vô có kích thước ổn định nhiệt độ thay đổi. Ngược lại điện môi hữu hệ số giãn nở dài có trị số lớn gấp hàng trăm lần so với điện môi vô cơ. Khi sử dụng điều kiện nhiệt độ thay đổi cần ý đến tính chất vật liệu để tránh trường hợp xấu xảy ra. 6.4. TÍNH CHẤT HOÁ HỌC VÀ CHỊU BỨC XẠ CỦA ĐM 6.4.1. Tính chất hoá học điện môi - Nguyên nhân nghiên cứu: a) Độ tin cậy vật liệu phải bảo đảm làm việc lâu dài nghĩa không bị phân huỷ để giải thoát sản phẩm phụ không ăn mòn kim loại tiếp xúc với nó, không phản ứng với chất khác. Độ bền tác động chất điện môi khác khác nhau. b) Khi sản xuất chi tiết gia công vật liệu phương pháp hoá công khác – dính được, hoà tan dung dịch tạo thành sơn. 6.4.2. Tác động xạ lượng cao - Trong kỹ thuật điện môi làm việc lâu dài hay ngắn hạn môi trường có xạ hạt sóng lượng cao mà không bị phá hủy gọi độ bền xạ. - Sự hấp thụ phóng xạ vật liệu phụ thuộc vào chất vật liệu chất lượng phóng xạ. Sự khuếch tán lượng phóng xạ xảy chủ yếu ion hoá - Các vật liệu bền vững xạ phải có hai thuộc tính: + Khả hấp thụ lượng mà không bị ion hoá lớn. + Khả tạo liên kết kép với mức độ lớn phá huỷ liên kết đó. - Khi trình gây nên xạ cho thấy tất tính chất điện, hoá, lý, bị biến đổi so với chưa bị xạ vật liệu cách điện. [...]...Độ 6. 2.3 Độ cứng - Độ cứng của vật liệu là khả năng của bề mặt vật liệu chống lại biến dạng gây nên bởi lực nén truyền từ vật có kích thước nhỏ vào nó cứng thang Khoáng vật Mohs Độ cứng tuyệ t đối + Với vật liệu vô cơ: được xác định theo thang khoáng vật Hay thang thập phân quy ước của độ cứng Tan (Mg3Si4O10(OH)2) 1 2 Thạch cao (CaSO4•2H2O) 2 3 Đá canxit (CaCO3)... lúc ban đầu - Theo quy định của IEC (Hội kỹ thuật điện quốc tế) các vật liệu cách điện được phân tích theo các cấp chịu nhiệt - độ bền chịu nóng sau - Ký hiệu t0 lớn nhất cho phép 0C Ký hiệu t0 lớn nhất cho phép 0C Y 90 B 130 A 105 F 155 E 120 H 180 C >180 • Ví dụ + Cấp Y: Gồm các vật liệu gốc xenlulô và tơ (sợi, vải, giấy ) không được tẩm, ngâm trong vật liệu cách điện lỏng + Cấp A: Là vật liệu cấp Y... thành sơn 6. 4.2 Tác động của bức xạ năng lượng cao - Trong kỹ thuật các điện môi có thể làm việc lâu dài hay ngắn hạn trong môi trường có bức xạ hạt hoặc sóng năng lượng cao mà không bị phá hủy được gọi là độ bền bức xạ - Sự hấp thụ phóng xạ trong vật liệu phụ thuộc vào bản chất vật liệu và chất lượng của chính phóng xạ Sự khuếch tán năng lượng phóng xạ xảy ra chủ yếu do ion hoá - Các vật liệu bền vững... nhiệt đặc biệt cao + Cấp C: Gồm những vật liệu vô cơ thuần túy, hoàn toàn không có thành phần kết dính hay tẩm như: mica, thủy tinh, amiăng, … 6. 3.2 Tính chịu băng giá - Tính chịu giá băng hay độ bền chịu lạnh là khả năng của chất cách điện làm việc không bị suy giảm độ tin cậy vận hành ở nhiệt độ thấp (khoảng -6 0 đến -7 00C) - Thường ở nhiệt độ thấp tính chất của vật liệu cách điện của điện môi thường... Pa.s = N.s/m 2 6. 3 TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA ĐIỆN MÔI 6. 3.1 Tính chịu nóng (độ bền nhiệt) - KN: là khả năng của vật liệu cách điện và các chi tiết chịu đựng không bị hư hỏng trong thời gian ngắn cũng như lâu dài dưới tác động của nhiệt độ cao và sự thay đổi đột ngột nhiệt độ - Cách xác định: + Với điện môi vô cơ được xác định theo điểm bắt đầu biến đổi tính chất điện Ví dụ tăng hao tổn rõ rệt hay điện trở suất... vật liệu dẻo và đàn hồi ở trong điều kiện bình thường sẽ trở nên rất giòn và cứng khi ở nhiệt độ thấp, gây khó khăn cho sự làm việc của chất cách điện 6. 3.3 Độ dẫn nhiệt - Độ dẫn nhiệt có ý nghĩa quan trọng là vì nhiệt toả ra do tổn thất công suất trong dây dẫn bọc cách điện trong lõi thép của MBA và tổn hao điện môi trong các chất cách điện được truyền ra môi trường xung quanh qua nhiều lớp vật liệu. .. khác nhau - Độ dẫn nhiệt ảnh hưởng tới độ bền điện khi đánh thủng nhiệt và ảnh hưởng đến độ bền của vật liệu đối với xung nhiệt Độ dẫn nhiệt của vật liệu được đặc trưng bởi nhiệt dẫn suất γN trong phương trình Furiê: ΔPN = γ N dT ΔS dl Trong đó: ∆PN - công suất của dòng nhiệt qua điện tích vuông góc ∆S với dòng năng lượng; dT/dl - gradien nhiệt độ 6. 3.4 Sự giãn nở nhiệt - Sự giãn nở nhiệt của điện môi... lửa vào gần • Nhiệt độ cháy là nhiệt độ cao hơn mà ở đó khi đưa ngọn lửa lại gần, bản thân chất lỏng thử nghiệm bắt đầu cháy Để kiểm tra độ bền của vật liệu cách điện về mặt hoá già nhiệt, mẫu vật liệu được giữ lâu dài ở nhiệt độ tương đối cao nhưng chưa làm cho vật liệu bị phá huỷ nhanh chóng Tính chất của mẫu đã hoá già sau khoảng thời gian nhất định được đo và so sánh với tính chất của vật liệu. .. α L = L dt - Các điện môi vô cơ có hệ số giãn nở dài bé nên các chi tiết chế tạo từ vật liệu vô cơ có kích thước ổn định khi nhiệt độ thay đổi Ngược lại ở các điện môi hữu cơ hệ số giãn nở dài có trị số lớn gấp hàng trăm lần so với điện môi vô cơ Khi sử dụng trong điều kiện nhiệt độ thay đổi cần chú ý đến tính chất này của vật liệu để tránh các trường hợp xấu xảy ra 6. 4 TÍNH CHẤT HOÁ HỌC VÀ CHỊU BỨC... (CaF2) 21 5 Apatit (Ca5(PO4)3(OH-,Cl-,F48 )) 6 Octocla felspat (KAlSi3O8) 72 7 Thạch anh (SiO2) 100 8 Topaz (Al2SiO4(OH-,F-)2) 200 9 Corundum (Al2O3) 400 10 - Phương pháp xác định: 1 Kim cương (C) 1500 Ví dụ: nếu một vật liệu nào đó bị apatit (có độ cứng là 5) làm trầy xước nhưng không bị làm trầy bởi đá fluorit (có độ cứng là 4), thì độ cứng trong thang Mohs sẽ là 4,5 + Vật liệu hữu cơ: Theo phương pháp . bề mặt dính nước thì θ < 90 0 (hình 6- 4a), đối với bề mặt không dính nước (kị nước) có θ > 90 0 (hình 6- 4b). θ < 90 0 θ > 90 0 Hình 6- 4 Góc biên dính nước • Khi bề mặt vật. giây). 1F v = . η 6. π.r 2 t HO τ η = τ η ν = ρ Trong hệ đơn vị SI, đơn vị của η là poazơi (poiseuille), kí hiệu: Pl; 1 Pl = 1 Pa.s = N.s/m 2 6. 3. TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA ĐIỆN MÔI 6. 3.1. Tính chịu. CHƯƠNG VI TÍNH CHẤT CƠ – LÝ – HOÁ - CỦA ĐIỆN MÔI 6. 1. TÍNH HÚT ẨM CỦA ĐIỆN MÔI 6. 1.1. Độ ẩm của không khí - Độ ẩm tuyệt đối của không khí được đánh giá bằng khối